KR200178500Y1 - 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치 - Google Patents

쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치 Download PDF

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Abstract

본 고안에서는 생활쓰레기를 연소시킴으로써 발생되는 고온(150℃)의 증기를 이용하여 75% 전후의 함수율을 가진 하수 슬러지 케이크를 함수율 50%로 건조시켜 소각한다.
본 고안은, 하수처리장에서 탈수된 하수 슬러지, 즉 슬러지 케이크를 투입구를 통해 공급받아, 슬러지 케이크가 쉽게 하강할 수 있도록 진동시키는 호퍼, 호퍼로부터 공급된 슬러지 케이크를 소정의 크기로 절단하는 절단기, 호퍼와 절단기간에서 슬러지 케이크를 통과시키며, 호퍼의 진동이 절단기에 전달되는 것을 차단하기 위하여 유연성있는 연결용구로 구성된 진동흡수용 조인트, 구동용 전동기에 의하여 회전함으로써 절단기에서 절단된 슬러지 케이크를 이동시키는 유입 스크류 콘베이어, 유입 스크류 콘베이어를 통해 공급된 슬러지 케이크를 열전달 매체를 사용하여 건조시키는 하나 또는 그 이상의 간접가열식 건조기, 생활쓰레기의 연소에 의하여 생성되는 고온의 증기를 유입받아 간접가열식 건조기의 열전달 매체를 가열시키는 증기챰버, 구동용 전동기에 의하여 회전함으로써 간접가열식 건조기에 의하여 건조된 슬러지를 이동시키는 유출 스크류 콘베이어, 유출 스크류 콘베이어를 통해 공급된 건조 슬러지를 미세입자로 분쇄하는 분쇄기, 흡입관을 통해 공급받은 분말화된 건조 슬러지를 가속 및 가압하여 공기와 혼합된 상태로 토출관을 통해 배출하는 송풍기, 토출관을 통해 배출된 분말화된 건조 슬러지를 함유한 공기를 방사시키는 방산기, 평형추를 사용하여 송풍기를 통해 방산기로 공급되는 흡입공기량을 조절함으로써 방산기의 확산상태를 조절하기 위하여, 흡입관의 초입에 위치하는 댐퍼, 방산기에 의하여 광범위하게 분포된 분말화된 건조 슬러지를 순간적으로 완전연소시키는 연소실 및 간접가열식 건조기에서 슬러지 케이크의 건조로 인하여 발생된 수증기를 연소실에서 열분해시키기 위하여, 간접가열식 건조기에서 발생된 증발기체를 회수하여 소각로의 연소실로 공급하는 증발기체 통로를 포함하여 구성된다.
본 고안은, 생활쓰레기 소각로에서 필연적으로 발생되는 잉여 폐열량을 이용하여 슬러지 케이크를 건조시키고 분쇄하여 이 분말건조 슬러지를 생활쓰레기와 함께 소각처분을 함으로써, 나날이 생성량이 증가되는 하수 슬러지의 처분을 위한 매립지의 구득난, 쓰레기 매립지로 인한 침출수의 토양과 지하수의 오염 및 쓰레기의 유기물부패 등의 여러 가지 문제를 일거에 해결한다.

Description

쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치{Disposal apparatus for incinerating waste water sludge installed in solid wastes incinerator}
본 고안은 하수 슬러지의 소각처분장치에 대한 것으로서, 특히 도시에서 매일 발생하는 많은 양의 하수 슬러지 케이크를 함수율 50%로 건조시켜 소각하기 위하여 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치에 대한 것이다.
국내의 여러 도시에서 운영하고 있는 공공 오폐수처리장에서는 나날이 엄청난 양의 하수 슬러지(waste water Sludge)가 배출되고 있다. 이들 하수 슬러지는 감량화와 안정화라는 2 단계의 처분법을 통해 처리되고 있다.
상기 안정화를 위한 최종 처분법에는 여러 가지가 있으나 주로 이용되고 있는 것은 퇴비화(堆肥化), 소각(燒却), 육상매립(陸上埋立) 및 해양투기(海洋投棄)법 등이 있다.
하수 슬러지는 다량의 유기물과 질소 등의 비료성분을 함유하고 있으며, 통기성 확보 등과 같은 물리적으로 토양을 개량할 수 있는 특성이 있다. 따라서 소도시에서는, 일반적으로 상기 하수 슬러지를 호기성으로 발효시켜 안정화 처리 후 녹농지로 환원하는 퇴비화 처분법을 이용한다.
육상매립처분법은 하수 슬러지를 일반쓰레기와 함께 혼합하여 매립하는 방법이다. 그러나 육상매립은 하수 슬러지의 높은 함수율과 하수 슬러지 내의 잔존 유기물 부패로 인한 악취 등으로 인하여 인근 주민에게 고통을 주게되며, 또한 매립지 침출수(浸出水)가 인근 지역의 토양 및 지하수의 오염을 유발시킨다.
상기 침출수의 처리를 위해서는 고가의 장치가 필요하며 침출수의 누출방지는 매우 어려운 기술이다. 따라서 육상매립은 혐오물(嫌惡物)을 증가시키는 원인이 된다. 또한 우리 나라와 같이 국토가 협소한 여건에서는 새로운 매립지의 확보가 매우 어려운 현실이다.
또 다른 방법인 해양투기법은 하수 슬러지를 먼바다에 투기하는 방법이다. 이러한 경우 일시적으로 해양오염이 일어나지만 다량의 해수에 의하여 슬러지가 희석되고 유기물은 해수의 자정작용으로 안정화될 수 있다.
그러나 해양투기 역시 오물관리, 저장, 운반, 기상조건 등으로 인해 그 비용이 증가되는 추세이다. 특히 장기적 안목으로 볼 때 근해투기는 말할 것도 없고 원해투기도 해양오염을 야기시킨다는 점에서 해양투기법은 지양되어야 한다.
소각처분법은 상기 퇴비화 처분법이나 육상 매립 또는 해양투기법의 문제를 해결하여, 선진 제국에서는 1970년대부터 활발하게 이용되고 있는 방법이며 우리 나라에서도 최근에 사용하게 되었는데, 하수 슬러지의 전용소각로를 사용하여 하수 슬러지를 소각하는 방법이다.
그러나 상기 소각처분법의 경우에는 소각에 앞선 전처리로서 탈수 즉, 건조과정이 필수적이다. 그러나 이때 건조에 따른 악취가 발생하게 되며 또한 건조된 슬러지를 소각할 때 유해가스가 발생하게 된다는 문제가 있다. 따라서 소각처분법의 도입을 위하여 악취와 유해가스로 인한 피해를 감소시키기 위한 노력이 경주되고 있다.
게다가 현재 국내에서 운전되고 있는 하수 슬러지 소각로는 슬러지 소각전용 소각로로 구성되기 때문에 운영상의 융통성이 적을 뿐만 아니라 경제성도 적다. 즉, 하수 슬러지는 전용 소각로에 의하여 소각하기 때문에, 함수율 75% 전후의 슬러지를 소각로에 투입하는 율을 일정하게 유지해야 소각로를 효율적으로 운영할 수 있다.
그러나 어떤 일정수준 이하의 투입율로 투입해야 될 경우에는 소각로의 효율성이나 경제성을 감안할 때 소각로의 운전을 정지해야 하는 등의 문제점이 발생하게 될 수 있다.
일반적으로 생활쓰레기 소각로의 운전시 쓰레기의 양, 운반수단과 거리, 시간 등의 문제로 인하여, 쓰레기를 소각로에 일정하게 투입하기란 현실적으로 어려움이 있다. 따라서 소각로 내의 연소열량의 균일화를 위해서는 하수 슬러지를 투입하여 열량을 일정하게 유지해야 한다.
결과적으로 하수 슬러지를 소각법에 의하여 처리하기 위해서는, 하수 슬러지가 자체 연소될 수 있도록 하기 위한 건조방법과, 투입된 건조 슬러지가 소각로 안에서 순식간에 연소되게 하는 방법 및 슬러지를 건조할 때 발생하는 악취와 슬러지의 연소시 유해가스의 발생을 미연에 방지하거나 극소화할 방법을 개발할 필요가 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 고안은, 생활쓰레기 소각로에 하수 슬러지 소각장치를 병설하여 전용 하수 슬러지 소각로의 경직성을 보완하고 생활쓰레기 소각로의 연소실에서 발생된 열량중 폐열량을 흡수하여 얻은 고온의 증기를 이용하여 슬러지 케이크를 건조시켜 소각하는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1 은 일반적인 중소규모의 생활쓰레기 소각로 구성도.
도 2 는 본 고안에 따른 슬러지 케이크 소각처분장치의 바람직한 실시예의 구성도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 슬러지 케이크의 투입구 2 : 호퍼(Hopper)
3 : 진동흡수용 조인트 4 : 절단기
5 : 전동기 6 : 유입 스크류 콘베이어
7 : 간접가열식 건조기 8 : 고온증기 유입구
9 : 증기챰버 10 : 열전달 매체
11 : 냉각증기 유출구 12 : 증발기체 출구
13 : 유출 스크류 콘베이어 14 : 전동기
15 : 건조 슬러지 공급관 16 : 분쇄기
17 : 흡입관 18 : 증발기체 주입구
19 : 흡입구 20 : 댐퍼
21 : 송풍기 22 : 토출관
23 : 방산기 24 : 임페러
25 : 쓰레기소각로본체 26 : 버너(Oil burner)
27 : 연소실 28 : 배가스 유출관
29 : 보일러식 열교환기 30 : 냉각 배가스 유출관
31 : 고온증기배출관 32 : 고온 증기 배출구
51 : 생활쓰레기 임시저장소 52 : 크레인
53 : 소각잔사 임시저장소 54 : 공기 예열기
55 : 반건식 세정기 56 : 백필터
57 : 유인 송풍기 58 : 굴뚝
상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 바람직한 실시예는, 하수처리장에서 탈수된 하수 슬러지(waste water sludge)인 슬러지 케이크를 투입구를 통해 공급받아, 상기 슬러지 케이크가 쉽게 하강할 수 있도록 진동시키는 호퍼(Hopper), 상기 호퍼로부터 공급된 슬러지 케이크를 소정의 크기로 절단하는 절단기, 상기 호퍼와 상기 절단기간에서 상기 슬러지 케이크를 통과시키며, 상기 호퍼의 진동이 상기 절단기에 전달되는 것을 차단하기 위하여 유연성있는 연결용구로 구성된 진동흡수용 조인트, 구동용 전동기에 의하여 회전함으로써 상기 절단기에서 절단된 슬러지 케이크를 이동시키는 유입 스크류 콘베이어(Screw conveyer), 상기 유입 스크류 콘베이어를 통해 공급된 슬러지 케이크를 열전달 매체를 사용하여 건조시키는 하나 또는 그 이상의 간접가열식 건조기, 생활쓰레기의 연소에 의하여 방출되는 고온의 증기를 유입받아 상기 간접가열식 건조기의 열전달 매체를 가열시키는 증기챰버(Steam chamber), 구동용 전동기에 의하여 회전함으로써 상기 간접가열식 건조기에 의하여 건조된 슬러지를 이동시키는 유출 스크류 콘베이어, 상기 유출 스크류 콘베이어를 통해 공급된 건조 슬러지를 미세입자로 분쇄하는 분쇄기(grinder), 흡입관을 통해 공급받은 상기 분말화된 건조 슬러지를 가속 및 가압하여 공기와 혼합된 상태로 토출관을 통해 배출하는 송풍기, 상기 토출관을 통해 배출된 상기 분말화된 건조 슬러지를 함유한 공기를 방사시키는 방산기, 평형추(counter weight)를 사용하여 상기 송풍기를 통해 상기 방산기로 공급되는 흡입공기량을 조절함으로써 상기 방산기의 확산상태를 조절하기 위하여, 상기 흡입관의 초입에 위치하는 댐퍼(damper), 상기 방산기에 의하여 광범위하게 분포된 상기 분말화된 건조 슬러지를 순간적으로 완전연소시키는 연소실 및 상기 간접가열식 건조기에서 상기 슬러지 케이크의 건조로 인하여 발생된 수증기를 상기 연소실에서 열분해시키기 위하여, 상기 간접가열식 건조기에서 발생된 증발기체를 회수하여 상기 연소실로 공급하는 증발기체 통로를 포함하여 구성된다.
본 고안은 각 도시에서 매일 생성되는 많은 양의 하수 슬러지를 소각 처분하는 기술에 대한 것이다. 본 고안은 종래기술에 의한 소각로의 경제성 제고를 위하여, 생활쓰레기 소각로에 투입하는 쓰레기의 양을 일부 줄이고, 상기 줄인 생활쓰레기가 발생할 수 있는 만큼의 열량을 낼 수 있도록 건조되고 분말화된 하수 슬러지를 소각로에 투입하면, 생활쓰레기 소각로를 겸한 하수 슬러지 소각시설을 구성할 수 있다.
하수처리장에서 생성되는 하수 슬러지, 즉 슬러지 케이크의 함수율은 75% 전후이므로, 슬러지 케이크를 그대로 소각시키려면 보조연료와 함께 연소시켜야 된다. 그러나 함수율을 50%정도로 낮추면 보조연료 없이 자체 연소가 가능하다. 따라서 본 고안은, 75% 전후의 함수율을 가진 하수 슬러지 케이크를 함수율 50%로 건조시켜 소각한다.
생활쓰레기 소각로의 연소실에서 발생되는 열의 온도는 900℃정도이므로, 후속장비를 부식으로부터 보호하기 위하여 배기가스의 온도를 350℃정도로 냉각하게 된다. 본 고안은 상기 온도차로부터 얻은 열량을 흡수하여 얻은 고온(150℃)의 증기를 이용하여 간접가열식 건조기를 운전함으로써, 75%의 함수율을 가진 하수 슬러지 케이크를 함수율 50%로 건조시킨다.
도 1 은 통상적인 중소규모의 생활쓰레기 소각로 구성도이다. 본 고안에 따른 생활쓰레기 소각로(25)를 이용한 하수 슬러지의 소각처분시설을 설명하기에 앞서 생활쓰레기 소각로에 대하여 설명하면 다음과 같다.
한 실례로서 1997년도 현재 인구 186,000명의 도시에서 발생하는 생활쓰레기의 총량은 154.4톤/일(＝186,000c×0.83kg/c.d×0.001톤/kg)이고 가연성물질은 42%이므로, 따라서 생활쓰레기 154.4톤/일 가운데 가연성 쓰레기는 64.8톤/일이다. 이중에서 19.2톤/일 또는 800kg/h를 소각처리할 수 있는 소각로를 설치하였으나 실지로는 8h/일 정도로 소각처리하고 있는 것이 현실이다.
이하 상기 경우를 예를 들어 본 발명 장치의 동작원리에 대해 설명한다. 통상적으로, 소각로에서 생활쓰레기를 소각하면 그 배기가스의 온도는 900℃ 전후가 된다. 이와 같은 고온의 가스를 소각로 이후에 설치된 각종 설비에 그대로 통과시키면, 이들 설비물에 대한 부식문제가 크게 대두된다.
즉, 생활쓰레기를 연소시키면 쓰레기중의 일부 성분으로부터 SOx, NOx, HCl등의 부식성 가스가 발생하여 금속류를 부식시키는데, 350℃ 내지 400℃ 또는 120℃ 내지 150℃에서 부식의 정도가 크기 때문에 900℃의 배기가스 온도를 150℃ 내지 350℃정도로 냉각시킬 필요가 있다. 이는 150℃ 내지 330℃ 범위에서 금속류의 부식정도가 가장 낮기 때문이다.
이와 같이 배기가스 온도를 하강시켜 소각로 후속의 각종 설비를 부식으로부터 보호하기 위해서는 필연적으로 냉각장치가 필요하게 된다. 냉각장치에는 수분사식, 공기흡입식, 간접 냉각식 등이 있다. 본 고안에서는 간접 냉각식인 폐열 보일러 방식의 열교환기(29)를 선택한다.
일반생활쓰레기는, 수분과 가연분 및 회분의 3요소가 가지는 함수율에 따라 저질, 중질 및 고질로 분류된다. 수분이 41%, 가연분이 50%, 회분이 9%정도면 저질로 판단한다. 고질쓰레기는 수분이 35%, 기연분이 58%, 회분이 7%정도이다. 저질쓰레기의 발열량은 2,000kcal/kg, 고질은 2,500kcal/kg이다.
본 소각로(25)에 투입하는 쓰레기의 발열량을 2,500kcal/kg로 설정한다. 소각로(25)를 매일 아침에 가동하기 위해서는 초기 승온을 위해서 보조연료 즉 경유가 필요한데, 시간당 800kg의 쓰레기를 소각하는 로에서는 약 80kg/h의 경유가 필요하다. 또한 시간당 연소공기량은 4,896N㎥/h, 버너용 연소공기량은 1,296N㎥/h가 필요하게 된다.
즉, 쓰레기＋보조연료＋(연소공기＋버너용 연소공기)가 연소되어 이산화탄소 (CO2) 464N㎥/h, 산소(O2) 504N㎥/h, 질소가스(N2) 3,864N㎥/h, 수분(H2O) 688N㎥/h, 총 합계 5,520N㎥/h의 배기가스가 발생하게 된다.
소각로(25)에서 방출되는 배기가스량이 생성하는 열량 즉, 폐열보일러식 열교환기(29)에 유입되는 열량은 수학식 1과 같이 계산된다.
유입열량(kcal/h) ＝ 배기가스량 × 900℃의 정압비열 × 배기가스온도
＝ 5,520(N㎥/h) × 0.3578(kcal/N㎥·℃) × 900(℃)
＝ 1,777,550(kcal/h)
열교환기(29)의 방산열량을 입열의 5%(통상 5%로 간주함)로 가정하면 열교환기(29)의 방산열량＝1,777,550×0.05＝88,878kcal/h이 된다.
또한 열교환기(29)의 냉각 배기가스 유출관(30)을 통해 이탈하는 배기가스 열량은 수학식 2와 같다.
열교환기 냉각 배기가스 유출관(30)을 통해 이탈하는 열량
＝ 배기가스량 × 350℃의 정압비열 × 배기가스온도
＝5,520(N㎥/h) × 0.3345(kcal/N㎥℃) × 350℃
＝646,254kcal/h이다.
따라서 열교환기(29)가 회수하는 열량은 수학식 3과 같다.
열교환기 회수열량
＝열교환기유입열량 － (열교환기방산열량 ＋ 열교환기를 이탈하는 증기보유열량)
＝1,777,550－(88,878＋646,254)
＝1,042,418kcal/h이다.
열교환기(29) 내부의 증기압을 5kg/㎠(151℃)로 하면 이 때의 엔탈피(enthalpy)는 656.1kcal/kg이므로, 열교환기의 증기발생량은 수학식 4와 같다.
열교환기의 증기발생량＝(열교환기회수열량/엔탈피)/1,000
＝(1,042,418(kcal/h)/656.1(kcal/kg))/1,000(kg/ton)
＝1.58ton/h 이다.
하수 슬러지는 하수처리장에서 수분함량이 75%정도로 탈수하여 외부로 반출하는데, 이하 75%전후의 함수율을 가진 하수 슬러지를 슬러지 케이크라 칭한다.
슬러지 케이크는 유기질을 많이 함유하고 있기 때문에 수분을 충분히 제거하면 보조연료없이도 자체 연소가 가능하다. 일반적으로 슬러지 케이크의 수분이 제거되어 고형물농도가 30∼50%면 보조연료없이도 연소가 계속된다.
본 명세서에서는 고형물 농도가 50%가 될 때까지 건조시키는 것으로 설정하고, 건조된 슬러지 케이크를 건조 슬러지라 한다.
참고로 서울시의 4개 하수처리장에서 생성된 슬러지 케이크에 대한 자료를 인용하면, 슬러지의 유기물 함량은 28 내지 55%이며 발열량은 1,170 내지 4,670kcal/kg의 범위이다. 이것의 산술 평균값은 2,920kcal/kg를 약간 상회한다.
소각로(25)의 쓰레기 발열량은 2,500kcal/kg로 설계되기 때문에, 쓰레기와 건조 슬러지를 혼합하여 연소시킨다고 하면, 800kg/h로 설계된 소각로(25)에 쓰레기 투입량은 400kg/h로 줄게 되며, 생산되는 열량은 필요량의 절반이 된다. 따라서 부족한 절반의 열량은 건조 슬러지를 소각하여 얻는다. 이때, 건조 슬러지의 양은 아래와 같이 계산된다.
소각로(25)에 2,500kcal/kg의 발열량을 가진 생활쓰레기 800kg/h를 소각하면 2,500×800＝2,000,000kcal/h의 열량이 소요되지만, 같은 소각로(25)에 1/2의 쓰레기를 소각하면 2,500×400＝1,000,000kcal/h가 소요된다. 따라서 부족한 열량 1,000,000kcal/h를 건조 슬러지의 소각열로 보충한다면, 건조 슬러지량은 1,000,000(kcal/h)/2,920(kcal/kg)＝342kg/h이다. 즉, 건조 슬러지를 시간당 342kg을 연소시키면 된다.
이것은 생활쓰레기 400대 건조 슬러지 342의 비율이다. 즉, 생활쓰레기 1kg에 대해 건조 슬러지 0.855kg의 비율로 소각로(25)에 투입하면 되고, 계획된 쓰레기 800kg을 소각하는데 소요되는 운전시간은 2배인 16h/일로 되는데, 이것은 실제로 문제될 것이 없다. 물론 경우에 따라서는 건조 슬러지를 단독 소각할 경우도 있겠지만 여기서는 혼합 투입하는 것을 기준으로 한다.
건조 슬러지의 소각량은 시간당 342kg이므로, 16시간동안에는 5,472(＝16×342)kg의 건조 슬러지를 소각처분할 수 있다. 즉 5,472/16＝342kg/h이다.
함수율 75%의 슬러지 케이크를 시간당 1kg씩 건조기(7)에 투입하여 고형물농도(즉 함수율)가 50%로 건조시키면 증발되는 수분량은 수학식 5와 같다.
증발수분량
＝슬러지 케이크무게×(슬러지 케이크함수율－건조 슬러지함수율) /
(100－건조 슬러지함수율)
＝1kg/h×(75－50)/(100－50)
＝0.5kg/h이다.
따라서 건조 슬러지 342kg/h이 슬러지 케이크 상태의 함수율이 되도록 하려면, 171kg/h(＝342×0.5)의 수분을 건조 슬러지 342에 더하면 된다.
결과적으로, 시간당 513kg(＝342＋171)의 슬러지 케이크를 간접가열식 건조기(7)에서 건조시키면, 함수율 50%의 건조 슬러지 342kg이 생성된다. 재언하면, 함수율 75%의 슬러지 케이크 513kg에 대해 건조과정에서 171kg/h의 율로 수분을 제거하면 342kg/h의 건조 슬러지가 생성된다.
하루 16시간 운전하는 것으로 계산할 때 슬러지 케이크량은 8,208kg/d (＝513kg/h ×16h/d)이 된다. 따라서, 함수율 75%의 슬러지 케이크 8,208kg를 16운전시간 동안에 건조시켜 함수율 50%의 건조 슬러지 5,472kg(＝342×16)로 만들고, 이것을 소각처분한다.
513kg/h(함수율75%)의 슬러지 케이크를 간접가열식 건조기(7)로 건조하여 342kg/h(함수율 50%)의 건조 슬러지로 만드는데 필요한 열전달 매체(10)의 면적 A는 수학식 6에 의하여 구할 수 있다.
A ＝ X/Sv (한국수도협회, 1998.2 발행, 하수도시설기준, p.835)
여기서 A는 열전달 매체 면적(㎡)이고, X는 증발 수분량(171kg/h)이며, Sv는 증발속도(함수율 50%때 15kgH2O/㎡·h)이므로, 열전달 매체 면적 A의 값은 수학식 7과 같다.
A = 171(kg/h) / 15(kgH2O/㎡·h) ＝ 11.4㎡
즉, 건조기의 열전달 매체(10)의 면적은 11.4㎡이면 된다. 이 열전달 매체(10) 면적이 필요로 하는 열량은 아래와 같다.
513kg/h의 슬러지 케이크를 함수율 50%로 건조하는데 필요한 열량은 수학식 8에 의해 구할 수 있다.
Q＝U·dt·A (한국수도협회, 1998.2 발행, 하수도시설기준, p.835)
여기서, Q는 필요열량(kcal/h)이고, U는 총 열전달계수(100∼180) (kcal/㎡·h·℃)이고, A는 열전달 매체면적(11.4㎡)이며, dt는 슬러지와 열촉매의 대수평균온도차(℃)이다. 상기 dt는 수학식 9에 의하여 구할 수 있다.
dt=(dt1－dt2) / (2.3log(dt1/dt2))
여기서, dt1는 건조기 입구 열매체의 온도와 슬러지 온도와의 차(℃)이고, dt2는 건조기 출구 열매체의 온도와 슬러지 온도와의 차(℃)이다.
U는 100∼180에서 160kcal/㎡·h·℃를 선택하면, dt1는 130℃(=150－20)이고, dt2는 20℃(=100－80)이므로, 513kg/h의 슬러지 케이크를 함수율 50%로 건조하는데 필요한 열량 Q는 수학식 10에 의하여 구할 수 있다.
Q＝160kcal/㎡·h·℃ × (130－20)/(2.3log(130/20)) × 11.4㎡
＝107,312kcal/h이다.
즉, 필요열량은 107,312kcal/h인데 비하여 이용 가능한 열량은 손실열량을 무시할 때 1,042,418kcal/h나 된다. 이로서 보일러식 열교환기(29)에서 공급 가능한 열량은 상당한 여유가 있어 더 많은 슬러지 케이크의 건조도 가능함을 알 수 있다.
다시 말해 열전달 매체(10)의 면적이 11.4㎡인 간접가열식 건조기(7)를 상기에서 언급한 바와 같이 16시간 가동시키면, 75%의 함수율을 가지는 슬러지 케이크로부터 1일에 8,208kg(＝513kg/h ×16h/d)을 50%의 함수율을 가지는 건조슬러지 5,472kg(＝342kg/h ×16h/d)을 생성할 수 있다.
서울시정개발연구원에서 중랑, 탄천, 난지 및 가양 하수처리장에서의 슬러지 발생량 조사에 의하면, 서울시의 중랑, 탄천, 난지 및 가양 하수처리장에서 1996년도에 발생시킨 슬러지 케이크는 매일 1,434톤이며, 생하수 1㎥당 슬러지 케이크 발생량(함수율은 ±75%)은 0.224kg/㎥이다. 이 수치를 이용하면 8,208kg/d의 슬러지 케이크를 만들 수 있는 생하수량은 수학식 11과 같이 계산된다.
생하수량 ＝ 8,208(kg/d) / 0.224(kg/㎥)
＝ 36,643 ㎥/d
즉, 생하수량 36,643㎥/d를 2차 처리하면 8,208kg/d의 슬러지 케이크가 생성된다. 1인당의 평균 하수배출량을 0.35㎥/d라 하면, 36,643(㎥/d)/0.35(㎥/c·d) ＝104,694명이 매일 0.35㎥/d씩 배출되는 전체 하수량을 처리할 수 있는 하수처리장의 용량이 된다.
상기된 바와 같이, 배기가스의 냉각열, 즉 보일러식 열교환기(29)가 흡수할 수 있는 열량은 슬러지 케이크를 자체 연소가 가능한 건조 슬러지로 만들기에 충분하다. 따라서, 이하 슬러지 케이크를 어떤 기구와 방법을 통하여 연소시키는가에 대해 상세히 설명한다.
도 2 는 본 고안에 따른 슬러지 케이크 전처리를 위한 소각처분장치의 바람직한 일 실시예의 구성도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 보일러식 열교환기(29)의 배출구(32)에서 방출되는 고온(약 150℃)의 증기는 간접가열식 건조기(7)의 증기챰버(Steam chamber)(9)의 고온증기 유입구(8)에 유입되고, 간접가열식 건조기(7)에 체류하는 동안에 냉각된 증기는 건조기(7)의 냉각증기 유출구(11)를 통하여 회수되고 있다.
이러한 경우, 하수처리장에서 탈수된 슬러지, 즉 함수율 약 75%의 슬러지 케이크는 슬러지 케이크의 소각처분시설이 병설되어 있는 생활쓰레기 소각장(도 1)으로 운반되어, 임시저류장(51) 또는 호퍼(Hopper)(2)에 투입된다.
호퍼(2)는 1초당 60회의 진동을 아주 적은 행정(stroke)으로 진동시켜 슬러지 케이크가 쉽게 하강하여 절단기(4)에 도달되게 한다. 진동흡수용 조인트(3)는 호퍼(2)의 진동이 절단기(4)에 전달되는 것을 차단하기 위한 유연성있는 연결용구이다.
절단기(4)는 슬러지 케이크를 가급적 잘게 절단하여 건조기(7)에서 균등한 속도로 건조되게 하는데 사용목적이 있으므로, 절단기(4)의 용량은 8.55kg/분 (＝513(kg/h)/60(min/h))이어야 한다. 절단기(4)에서 잘게 절단된 슬러지 케이크는 중력에 의하여 유입 스크류 콘베이어(Screw conveyer)(6)에 투입된다.
유입 스크류 콘베이어(6)가 계획된 용량의 절단 슬러지 케이크를 간접가열식 건조기(7)에 투입하기 위해서는, 유입 스크류 콘베이어(6)의 구동용 전동기(5)의 회전속도가 알맞는 속도로 고정되어야 한다. 절단 슬러지 케이크는 구동용 전동기(5)의 회전에 의하여 유입 스크류 콘베이어(6)를 통해 간접가열식 건조기(7)로 전달된다.
실제로는 건조기(7)를 복수개 설치하는 것이 바람직하나, 본 명세서에서는 설명의 편의상 한 개의 건조기(7)를 사용하는 소각로에 대하여 설명한다.
앞서 언급한 바와 같이, 유입 스크류 콘베이어(6)의 투입율은 8.55kg/분 (＝513(kg/h) / 60(min/h))이며, 건조기(7)는 함수율 75%의 슬러지 케이크를 시간당 513kg을 함수율 50%로 건조시킬 수 있는 능력을 가지고 있다.
간접가열식 건조기(7)의 효율을 올리기 위하여 여러 가지 방법이 동원되고 있으나, 본 고안에서는 내부에 회전하는 스크레이퍼(scraper)를 사용하여, 계속적으로 투입되는 슬러지 케이크를 연속적으로 열전달 매체(10)에 강하게 투척함으로써, 건조가 촉진되게 하는 장치를 구비한 건조기(7)를 고려한다.
간접가열식 건조기(7)에 의하여 함수율 50%로 알맞게 건조된 건조 슬러지는, 구동용 전동기(14)에 의하여 회전하는 유출 스크류 콘베이어(13)에 의하여 8.55kg/분의 율로 유출된다. 이 건조 슬러지는 중력에 의하여 분쇄기(grinder)(16)에 투입되어 가급적 미세한 입자로 분쇄된다.
분쇄기(16)를 사용하여 건조 슬러지를 가급적 미세입자로 만드는 이유는, 소각로(25)의 연소실(27)에서 순식간에 연소되어 불완전연소된 재가 연소가스와 함께 연소실(27) 이후의 시설안으로 방출되어 배기가스 여과기 등의 부하가 증가되지 않도록 하기 위해서이다. 또 다른 이유로는 연소실(27)에서 불완전연소된 재가 화상아래로 떨어져서 재의 용적이 늘어나는 것을 예방하기 위함이다.
분쇄기(16)에 의하여 분말화된 건조 슬러지를 송풍기(21)를 이용하여 소각로의 연소실(27)안으로 사출하기 위하여, 분말건조 슬러지는 송풍기의 흡입관(17)속으로 자유낙하된다. 송풍기(21)의 흡입력을 이용하여 밀가루, 시멘트, 옥수수, 콩, 목탄, 모래, 점토 등의 고형입자를 이송할 경우, 흡입공기의 풍속은 10 내지 35m/s이고 고형입자와 공기의 혼합비는 2 내지 10배이다.
이때 고형입자와 공기의 혼합비를 5배로 가정하면, 분말건조 슬러지를 흡입하는데 필요한 공기량(송풍기용량) Q(㎥/분)는 수학식 12와 같다. 이때, 분말건조 슬러지의 고체비중은 실제로 1.03이하이며 분말건조 슬러지의 양은 8.55kg/분이고 풍속은 25m/s로 한다.
Q ＝ T/(γ×M)
여기서, T는 수송량(kg/분)이고, γ는 공기비중(1.2kg/㎥)이며, 혼합비 M은 5로 할 때, 필요 공기량 Q의 값은 수학식 13과 같다.
Q ＝ T/(γ×M) ＝ 8.55/(1.2×5)
＝ 1.425㎥/분
또한 흡입관(17)의 지름 D는 수학식 14에 의하여 계산된다.
D ＝ 146 (Q/V)0.5
여기서, D는 관의 지름(mm)이고, Q는 풍량(㎥/분)이며, V는 풍속(25m/s)이므로, 흡입관(17)의 지름 D의 값은 수학식 15와 같다.
D ＝ 146(Q/V)0.5＝ 146 ×(1.425/25)0.5
＝ 34.9mm
흡입관(17)과 토출관(22)을 스테인레스 관으로 할 때 공칭 관경 25, 32 및 40mm 중에서 40mm를 선택하면 풍속 V의 값은 수학식 16과 같다.
V ＝ 1462×Q/D2＝ 1462×1.425/402
＝ 19m/s
따라서 상기 계산 결과를 요약하면 풍량은 1.425㎥/분이고 흡입관(17) 및 토출관(22) 지름은 40mm이며, 이 때 풍속은 19m/s이다. 이 풍속이면 비중 1.03의 분말건조 슬러지는 충분히 흡입 및 토출이 가능하다.
송풍기의 흡입관(19)과 토출관(22)의 압력손실은 수학식 17에 의하여 계산된다.
Pa＝ f×(L/D)×(γ/2g)×V2
여기서, Pa는 압력손실(mmAq)이고, f는 마찰손실계수(=0.02)이고, L은 관의 총길이(m)이고, D는 관경(m)이고, γ는 공기비중(1.2kg/㎥)이며, V는 풍속(19m/s)이다. 따라서 관의 총 연장을 3m로 하여 상기 압력손실 Pa의 값을 계산하면 수학식 18과 같다.
Pa＝ 0.02 ×(3/0.04) ×(1.2/(2 ×9.8) ×192
＝ 34mmAq
이때 안전율을 2.0으로 보면 실제 압력손실은 34 ×2.0 ＝ 68mmAq이므로, 기타 압력손실을 감안하여 총 압력손실을 100mmAq로 설정한다.
따라서 송풍기의 소요동력 P의 값은 수학식 19에 의하여 구한다.
P ＝ ((Q ×dP)/(6,120 ×E)) ×α
여기서, P는 송풍기의 소요동력(kw)이고, Q는 분당 풍량(1.5㎥/분)이고, dP는 압력차(=100mmAq)이고, E는 효율(=0.55)이고, α는 여유율(=1.5)이라고 하면, 송풍기의 소요동력 P의 값은 수학식 20과 같이 계산된다.
P ＝ 1.425 ×100/(6,120 ×0.55) ×1.5
＝ 0.064kw이다.
송풍기(21)는 비중이 1.03인 건조 슬러지 분말을 공기와 혼합된 상태로 흡입 및 방출해야 되기 때문에 정압이 확보되고 기계적으로 임페러와 케이싱이 견고하여야 한다.
이에 적합한 송풍기는 방사익 송풍기(Radial blade fan)이다. 이 송풍기는 원심 송풍기중 가장 적은 6∼12매의 반경 방향깃을 가지고 있으며, 견고한 재질을 사용하므로 가격은 약간 비싸나, 구조가 매우 간단하고 강도가 강하므로 고속회전이 가능하며, 임페러 깃판의 교환 및 수리가 용이하다.
따라서 시멘트, 미분탄, 톱밥, 곡물 및 모래 등을 비롯한 고농도의 입자상 물질이나 부착성 및 마모성이 강한 분진을 흡입 및 이송하는데 널리 사용되고 있다.
송풍기의 흡입구(19)를 통해 흡입된 건조 슬러지는 송풍기(21)에서 가속 및 가압되고, 토출관(22)을 통해 방출된다. 토출관(22)을 통해 방출된 건조 슬러지를 함유한 공기는 방산기(diffuser)(23)를 경유하여 소각로의 연소실(27)로 분산된다.
상기 방산기(23)는 건조 슬러지를 연소실(27) 안에서 고루고루 광범위하게 분포시켜 순식간에 연소되게 한다. 앞서 설명한 바와 같이 슬러지 케이크는 건조되고 분쇄되어 연소실(27)에서 순식간에 완전 연소되므로, 연소실(27)의 후속시설이나 화상 하부에 있는 재의 임시저장소에 건조 슬러지로 인한 추가적인 재의 유입 및 축적은 발생하지 않는다.
한편 흡입관(17) 초입에 위치한 댐퍼(damper)(20)는 흡입공기량을 조절하여 방산기(23)의 확산상태를 적절하게 조절함으로써, 슬러지 케이크가 연소실(27)내에서 순식간에 완전 연소될 수 있도록 한다. 댐퍼(20)에는 평형추(counter weight)를 부착하여 언제나 최상의 흡입이 되게 조정한다.
본 고안에 의한 소각처분장치에서, 상기 간접가열식 건조기(7)가 운전되고 있는 동안에는 슬러지 케이크의 건조로 인하여 많은 수증기가 발생된다. 이 수증기는 수분은 물론이고 여러 종류의 유해가스를 함유하고 있다. 따라서 상기 수증기를 대기 중으로 그냥 방출하지 않고, 증발기체 출구(12)를 통하여 전량을 회수하여 증발기체 주입구(18)를 통하여 연소실(27)로 흡입시킨다.
연소실(27)에는 통상 10mmAq 내지 30mmAq의 부압이 걸리고 있기 때문에, 증발기체는 쉽게 연소실(27)로 흡입되어 쓰레기와 건조 슬러지의 연소온도인 900℃에 접하게 된다. 따라서 증발기체에 함유되고 있던 모든 유해물질은 생활쓰레기의 경우와 같이 열분해를 일으켜 환경적으로 무해한 것으로 변한다.
즉 함수율 75%의 슬러지 케이크가 함수율 50%로 건조되는 과정에서 증발하는 각종 유해물질을, 열분해를 통해 무해한 것으로 변화시킨다. 따라서 건조 슬러지가 900℃의 고열로 연소되면 건조 슬러지가 함유하고 있던 각종 유해성분도 증발기체의 경우와 같이 열분해에 의해 환경에 무해한 것으로 된다. 또한 이와 같은 소각로의 연소실 후단에는 냉각장치와 대기오염 예방 내지는 방지를 위하여 여러 가지의 공기 정화장치를 첨부한다.
상기와 같이 동작하는 본 고안은, 생활쓰레기 소각로에 하수 슬러지 소각장치를 병설하여 전용 하수 슬러지 소각로의 경직성을 보완함으로써, 보다 융통성 있고 경제적이고 환경친화적으로 하수 슬러지를 소각처분한다.
즉, 본 고안은, 생활쓰레기 소각로에서 필연적으로 발생되는 잉여 폐열량을 이용하여 슬러지 케이크를 건조시키고 분쇄하여 이 분말건조 슬러지를 생활쓰레기와 함께 소각처분을 함으로써, 나날이 생성량이 증가되는 하수 슬러지의 처분을 위한 매립지의 구득난, 쓰레기 매립지로 인한 침출수의 토양과 지하수의 오염 및 쓰레기의 유기물부패 등의 여러 가지 문제를 일거에 해결할 수 있는 경제적이고 환경친화적인 효과가 지대하다.

Claims (11)

  1. 하수처리장에서 탈수된 하수 슬러지(waste water sludge)인 슬러지 케이크(sludge cake)를 투입구를 통해 공급받아, 상기 슬러지 케이크가 쉽게 하강할 수 있도록 진동시키는 호퍼(Hopper)와;
    상기 호퍼로부터 공급된 슬러지 케이크를 소정의 크기로 절단하는 절단기;
    구동용 전동기에 의하여 회전되므로써 상기 절단기에서 절단된 슬러지 케이크를 이동시키는 유입 스크류 콘베이어(Screw conveyer);
    상기 유입 스크류 콘베이어를 통해 공급된 슬러지 케이크를 열전달 매체를 사용하여 건조시키는 하나이상의 간접 가열식 건조기;
    생활쓰레기의 연소에 의하여 방출되는 고온의 증기를 유입받아 상기 간접 가열식 건조기의 열전달 매체를 가열시키는 증기 챰버(Steam chamber);
    구동용 전동기에 의하여 회전되므로써 상기 간접 가열식 건조기에 의하여 건조된 슬러지를 이동시키는 유출 스크류 콘베이어;
    상기 유출 스크류 콘베이어를 통해 공급된 건조 슬러지를 미세입자로 분쇄하는 분쇄기(grinder);
    흡입관을 통해 공급받은 상기 분쇄되어 분말화된 건조 슬러지를 가속 및 가압하여 공기와 혼합된 상태로 토출관을 통해 배출하는 송풍기;
    상기 토출관을 통해 배출된 상기 분말화된 건조 슬러지를 함유한 공기를 방산시키는 방산기(diffuser); 및
    상기 방산기에 의하여 광범위하게 분포된 상기 분말화된 건조 슬러지를 순간적으로 완전 연소시키는 연소실을 포함하여 구성되는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 간접 가열식 건조기에서 상기 슬러지 케이크의 건조로 인하여 발생된 수증기를 상기 연소실에서 열분해시키기 위하여, 상기 간접 가열식 건조기에서 발생된 증발기체를 회수하여 상기 간접 가열식 연소실로 공급하는 증발기체 통로를 추가로 구비하는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 평형추(counter weight)를 사용하여 상기 송풍기를 통해 상기 방산기로 공급되는 흡입 공기량을 조절함으로써 상기 방산기의 확산상태를 조절하기 위하여, 상기 흡입관의 초입에 위치하는 댐퍼(damper)를 추가로 구비하는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 호퍼와 상기 절단기 사이에서 상기 슬러지 케이크를 통과시키며, 상기 호퍼의 진동이 상기 절단기에 전달되는 것을 차단하기 위하여 유연성있는 연결용구로 구성된 진동흡수용 조인트를 추가로 구비하는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 송풍기는, 방사익송풍기(Radial blade fan)인, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 간접 가열식 건조기는,
    상기 증기 챰버에 의하여 전달된 고온의 증기에 의하여 가열되는 열전달 매체;
    상기 유입 스크류 콘베이어로부터 계속적으로 투입되는 슬러지 케이크를 상기 가열된 열전달 매체에 연속적으로 강하게 투척함으로써, 건조를 촉진시키는 스크레이퍼(scraper)를 포함하는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 건조기는, 상기 소각처분장치에서 소각되는 생활 쓰레기의 절반을 연소시키는 열량을 낼 수 있는 분량의 슬러지 케이크를 함수율 50%로 건조시키는 건조용량을 갖는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 절단기와 유입 스크류 콘베이어 및 유출 스크류 콘베이어는, 상기 건조기의 건조용량 만큼의 슬러지 케이크를 처리하는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 호퍼는 1초당 60회의 진동을 일으키는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 절단기의 용량은 8 ∼ 9 kg/분인, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 절단기에서 잘게 절단된 슬러지 케이크는 중력에 의하여 상기 스크류 콘베이어에 투입되는, 쓰레기 소각로에 병설된 하수 슬러지의 소각처분장치.
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KR100771121B1 (ko) 2006-06-23 2007-10-29 (주) 대주인테크 슬러지 건조장치
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